JPH11126761A - タングステンプラグの形成方法並びにタングステンプラグ及びタングステン配線の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 密着層を形成せずにタングステンプラグ及び
タングステン配線を形成する。 【解決手段】 プラズマ、エキシマレーザ、イオンビー
ム等を酸化シリコン膜もしくは窒化シリコン膜上に照射
することによって、Si-OもしくはSi-Nの結合を切断する
ことができる。すると、ここから酸素もしくは窒素が脱
離し、表層にシリコンが析出する。このシリコンをWF6
を主成分としたガスの還元反応によってタングステンに
置換してタングステン膜を形成する。この時、タングス
テンの凸部が不規則に酸化シリコン膜もしくは窒化シリ
コン膜中に食い込むため、密着性が高い。このタングス
テン膜の所定領域をエッチングして、タングステンプラ
グ及びタングステン配線を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、さらに詳しく言えば、半導体装置のコンタ
クトホールもしくはヴィアホールにタングステンプラグ
を形成する際の、密着性の向上と、コストの低減を目的
とする。

【０００２】

【従来の技術】トランジスタなどの半導体を用いた集積
回路は、種々の微細な素子に複雑な配線を行う必要があ
る。また、スタティックラムやフラッシュメモリなど、
素子をマトリックス状に多数配置するものにおいても、
個々の素子を接続するための配線が必要である。これら
の配線に用いる素材としては、電気抵抗が低いこと、半
導体装置の製造工程における加熱処理に耐えうる融点の
高さ等が求められ、近年タングステン（以下Wと記す）
が注目されている。

【０００３】従来のコンタクトホールにWコンタクト
を、例えばＭＯＳトランジスタの拡散層に形成する方法
を第７図を用いて説明する。 工程１：第７図（a）に示すように、公知の技術を用い
て半導体基板５１上に拡散層５２を備えたＭＯＳトラン
ジスタ５３を形成する。 工程２：第７図（b）に示すように、ＭＯＳトランジス
タ５３の全面にSiO2からなる層間絶縁膜５４をCVD法を
用いて形成し、拡散層５２の上方にコンタクトホール５
５を形成する。 工程３：第７図（c）に示すように、スパッタ法を用い
て全面にTi膜及びTiN膜の積層構造からなる密着層５６
を形成する。次にブランケットW法を用いて全面にW膜５
７を形成する。 工程４：第７図（d）に示すように、W膜５７を全面エッ
チングし、密着層５６を露出し、Al合金からなる配線５
８を所定領域に形成する。

【０００４】コンタクトホールの中で、下層の金属配線
上の層間絶縁膜に形成されるものを特にヴィアホールと
称する。次に、従来のヴィアホールにWコンタクトを形
成する方法を第８図を用いて説明する。 工程１：第８図（a）に示すように、図示しない半導体
基板上に形成された第１の層間絶縁膜６１上方に形成さ
れたAl合金等の第１の金属膜６２が形成されている。第
１の金属膜６２は、半導体基板上に形成された図示しな
い半導体装置の所定の導電層に図示しないコンタクトプ
ラグによって電気的に接続されている。第１の金属膜６
２上にTi層６３aとTiN層６３bからなる反射防止膜６３
をスパッタ法を用いて堆積する。第１の金属膜６２と反
射防止膜６３の所定領域をエッチングして第１の配線６
４を形成する。 工程２：第８図（b）に示すように、SiO2からなる第２
の層間絶縁膜６５をCVD法を用いて形成する。図示しな
いフォトマスクを用いて層間絶縁膜６５の所定の位置に
ヴィアホール６６を形成し、配線６４を露出させる。反
射防止膜６３はフォトレジストを行う際に、第１の配線
６４に光が反射してフォトマスクが削れてしまうことを
防止する働きをする。次に、Ti層６７aとTiN層６７bか
らなる密着層６７をスパッタ法を用いて堆積する。 工程３：第８図（c）に示すように、W膜６８をブランケ
ットW法を用いて全体に堆積する。 工程４：第８図（d）に示すように、W膜６８を全面エッ
チバックして密着層６７を露出し、Al合金など、より電
気抵抗の低い素材よりなる導電膜を形成し、所定領域を
エッチングして第２の配線６９を形成する。

【０００５】上述したスパッタ法は、イオン化したArイ
オンを電界によって加速してTiターゲットに当て、反跳
したTiをウエハに堆積する手法であり、物理的に膜を形
成するPVD（Physical Vapor Deposition）法の一種であ
る。一方、ブランケットW法は、ウエハに特定のガスを
当て表面に化学変化を起こすことによって化学的に膜を
形成するCVD（Chemical Vapor Deposition）法の一種で
あり、先ず、TiN上にWの核を形成するためにSiH4ガスで
TiN上にSiを析出させ、次にWF6/H2ガスで、Wを堆積する
２つの工程からなる。

【０００６】上述した密着層５６及び６７には以下の働
きがある。WはSiNやSiO2表面に直接堆積してもこれらと
の密着性がなく、膜が形成されないか、形成されてもは
がれ落ちてしまう。特にSiO2に関してはほとんど堆積す
ることができない。これに対して、SiO2とTi、TiとTi
N、TiNとWは、それぞれ密着性が高い。従ってこれらのT
i及びTiNの積層構造をSiO2とWとの間に密着層として挟
むことによってSiO2膜上にもWによる配線が可能とな
る。また、シリコン上に直接Wを積層すると、相互拡散
によってシリコン内部にWが侵入し、より下層の導電層
や半導体基板に短絡してしまう、いわゆるスパイキング
が生じる。TiとTiNからなる密着層は、この様な相互拡
散を防止する働きも担っている。従って、密着層はSiO2
絶縁膜上にW配線を形成する際においては必要不可欠で
あると考えられていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Tiを用
いる密着層５６はTi及びTiNをPVDであるスパッタ法によ
って堆積するため、ステップカバレッジが悪い、即ち、
膜を形成する対象に大きな段差があるとその側面及び底
面を覆うことができない。これは、スパッタ法がTiター
ゲットにArイオンを当て、ここからTiをとばしてウエハ
に当てる手法であるため、Ti粒子の飛程が限定されてし
まうためである。今後半導体素子の微細化が進行し、コ
ンタクトホールのアスペクト比が高くなる、即ち、コン
タクトホールがより細くなると、第９図に示すように、
スパッタ法では、コンタクトホールの内面を完全に覆う
ことができなくなると考えられる。

【０００８】また、第１０図に示すように、スパッタ法
によって堆積された膜は段差の角部に多く堆積するた
め、今後コンタクトホールが細くなっていくと、密着層
５６がホール開口部を塞ぐ、または狭めてしまい、コン
タクトホール内部にWが入りきずにボイドと呼ばれる空
間が形成される。ボイドが形成されると、W膜をエッチ
バックする際のエッチングガスがボイド内に侵入して、
コンタクトホールのリセスが大きくなり、コンタクト部
の電気抵抗が大きくなり、時には導通不良が起こる。ま
た、ボイドの中にたまったガスが熱膨張することによ
り、配線が破裂する危険もある。

【０００９】さらに、第９図に示すように、密着層５６
の形成が不十分で、Ti層５６aが露出していると、ここ
にWF6ガスが当たった際にTiとWが激しく反応し、Wが異
常成長してTiN層５６bがはがれてしまう、いわゆるボル
ケーノ現象が生じる場合がある。また、第１１図（a）
に示すように、絶縁膜５３中に別の膜が形成されていた
場合、コンタクトホールをエッチングによって開口した
際に、エッチングレートの違いから段差が生じ、TiN膜
５６bがはがれてしまう場合がある。この様にTiN層５６
bがはがれると、第１１図（b）に示すように、コンタク
トホールの開口部を塞ぎ、コンタクトホール内にWが入
らずに空間が生じてしまう場合がある。

【００１０】現在これらの問題を解決するためにLTS（L
ong Throw Sputter）、IMP（Ionized Metal Plasma）、
TiN-CVDなどの新しいプロセスが研究されている。しか
しながら、これらのいずれの手段も実用化には未解決の
問題点がある。また、実用化されても、高価な新規の設
備の導入が不可欠であり、コストが高いという欠点があ
る。

【００１１】さらに、TiNはWに比較して層抵抗が高く、
今後の低電圧駆動化や、高速駆動化の進行に伴い問題が
顕在化することが考えられる。また、Tiそのものが高価
であることもコスト低減の妨げになっているのみなら
ず、密着層は素子の動作に寄与するものではなく、製造
工程上の必要性のみから設けられるものであるため、従
来の製造方法は、密着層を形成する分だけ工程数が多
く、コストの低減の妨げになっていたといえる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上述した問題を
解決するために成されたもので、密着層を用いることな
く、簡単かつ安定にコンタクトホール内にWプラグを形
成する方法を提供する事をその目的とする。一般的に、
異なった素材からなる積層構造を形成する場合、それぞ
れの層の境界面は、わずかに反応して結合するか、電気
的な引力等が働くことで結合している。これに対し、Si
O2膜にWを堆積する事が困難な理由は、それぞれの膜に
反応もしくは引力が生じないためである。従って、本発
明の主旨は、コンタクトホール内のSiO2の界面に微少な
凹凸を設け、そこにWをはめ込んで、W膜とSiO2膜との接
触面積を広げることで、SiO2膜上に密着性の良いW膜を
形成することにより、タングステンプラグを形成するも
のであり、以下にその原理を述べる。

【００１３】SiO2膜もしくはSiN膜表面にエネルギーを
与えて、これらの結合を切断すると、そこに単体シリコ
ンと酸素分子もしくは窒素分子が生成され、蒸気圧の低
い酸素分子もしくは窒素分子が離散し、単体シリコンが
残るので、SiO2膜もしくはSiN膜上にシリコンを析出す
ることができる。ここに、WF6ガスを流すと、この析出
したシリコンが核となり、WF6と還元反応（WF6＋３Si→
W＋３SiF2）を行い、SiF2が離散して、Wがシリコンと置
き換わってSiO2膜もしくはSiN膜の表面にWが析出する。

【００１４】請求項１及び請求項２に記載の発明は、層
間絶縁膜表面及びコンタクトホール内面に、原子間の結
合を切断することによってシリコンを析出させ、析出し
たシリコンをWF6を主な成分としたガスを用いた還元反
応によりタングステンに置換しつつタングステン膜を形
成し、タングステン膜を全面エッチバックして前記層間
絶縁膜を露出してタングステンプラグを形成するタング
ステンプラグの形成方法である。

【００１５】請求項３及び請求項４に記載の発明は、上
記と同様にタングステン膜を形成し、タングステン膜の
所定領域をエッチバックしてタングステンプラグを形成
すると共に、タングステン配線を形成するタングステン
プラグ及びタングステン配線の形成方法である。上記原
子間の結合は、プラズマの照射によって切断することが
できる。より具体的には、Ar、Heなどの希ガスプラズマ
をごく低いエネルギーでSiO2膜もしくはSiN膜に照射す
ると、プラズマ粒子がSiO2膜もしくはSiN膜内のシリコ
ン原子もしくは酸素原子もしくは窒素原子に衝突するの
でプラズマ粒子の運動エネルギーによって、この結合を
切断し、これらの原子を叩き出すことができる。する
と、上述したように、SiO2膜もしくはSiN膜上に、シリ
コンを析出させることができる。本明細書において、こ
の様にSiO2膜もしくはSiN膜表面にシリコンを析出する
ことができる低エネルギーのプラズマを便宜的に微弱プ
ラズマと記す。また、この様に析出したシリコンを析出
シリコンと記す。

【００１６】請求項５に記載の発明は、前記原子間の結
合を切断する手段が微弱プラズマの照射であるタングス
テンプラグの形成方法もしくはタングステンプラグ及び
タングステン配線の形成方法である。一方、上記原子間
の結合をレーザを用いて切断することもできる。SiO2の
バンドギャップは8eV乃至9eVであるので、これよりも高
いエネルギーを持ったレーザを照射することで、この結
合を切断し、上記プラズマによる場合と同様にして、酸
素原子を叩き出し、SiO2膜上に単体シリコンを析出させ
ることができる。この様な高いエネルギーのレーザの一
例としてエネルギー9.8eVのAr2エキシマレーザを挙げる
ことができる。

【００１７】また、KrF、ArFのエキシマレーザは、それ
ぞれ5eV、6.4eVのエネルギーを持っている。これらのレ
ーザをSiO2膜に照射することによってもシリコンを析出
させ得ることが９４年秋期応用物理学会予稿集第２分冊
19a-ZQ-9にて開示されている。これは１つの原子間結合
に２つのレーザ光子が連続して当たる２光子吸収によ
り、生じると考えられている。従って、SiO2膜表面にエ
キシマレーザを照射することによって、上記プラズマに
よる方法と同様、析出シリコンを形成し、SiO2膜上にW
膜を形成することができる。

【００１８】請求項６に記載の発明は、前記原子間の結
合を切断する手段が真空中でのArFエキシマレーザもし
くはKrFエキシマレーザもしくはAr2エキシマレーザの照
射であるタングステンプラグの形成方法もしくはタング
ステンプラグ及びタングステン配線の形成方法である。
請求項７に記載の発明は、前記原子間の結合を切断する
手段が真空中でのHeイオンもしくはArイオンの照射であ
るタングステンプラグの形成方法もしくはタングステン
プラグ及びタングステン配線の形成方法である。

【００１９】一方、SiNのバンドギャップは5eVであるの
で、SiO2よりも結合が弱いと言え、より容易に結合を切
断することができる。請求項８に記載の発明は、層間絶
縁膜全面にシリコン窒化膜を形成する、タングステンプ
ラグの形成方法もしくはタングステンプラグ及びタング
ステン配線の形成方法である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の第１の実施形態に
ついて第１図及び第２図を用いて説明する。 工程１：第１図（a）に示したように、公知の技術を用
いて半導体基板１上に拡散層２を備えたＭＯＳトランジ
スタ３を形成する。次に公知のサリサイドプロセスを用
いて拡散層２上及びゲート電極４上に自己整合的にTiSi
2とTiNからなる保護膜５を厚さ300Å乃至2000Åに形成
する。この保護膜５は上述したスパイキングの防止を目
的とするものである。従って、保護膜の材質はTiシリサ
イドに限定されるものではなく、W及びシリコンと反応
せず、かつ電気抵抗が低ければ、例えばCoSi2等、どの
ような材質でも構わない。 工程２：第１図（b）に示したように、全面にSiO2から
なる層間絶縁膜６をCVD法を用いて厚さ5000Å乃至30000
Åに形成し、拡散層２上の層間絶縁膜６にコンタクトホ
ール７を形成する。 工程３：後述するリモートプラズマ法によって生成した
微弱プラズマを全面に照射し、層間絶縁膜６表面及びコ
ンタクトホール７内面のSiO2表面に析出シリコン８を形
成する。SiO2表面を拡大した図を第２図（a）に示す。
プラズマの影響はSiO2表面が最も大きく、表面から遠ざ
かるに連れて、指数関数的に小さくなる。従って、析出
シリコン８は表面では、ほぼ純粋なシリコン層８aであ
り、数十Å程度の深さでは一部がシリコンであるシリコ
ンリッチ層８bとなる。析出シリコン８の厚さは数十Å
乃至数百Å程度である。

【００２１】微弱プラズマによって析出シリコン８を形
成する特段のメリットとして、上記のように、析出シリ
コン８の形成される深さが数十Å乃至数百Å程度である
ので、後で置換されるW膜９の深さが十分にとれるた
め、より強固な密着性を確保できる点を挙げることがで
きる。 工程４：全面にWF6/H2ガスを200℃乃至500℃で当てる
と、上述した還元反応（WF6＋３Si→W＋３SiF2）が起こ
るため、析出シリコン８がSiF2となって脱離し、Wに置
き換わる形でW膜９が析出する。この時、拡大図である
第２図（b）に示すように、シリコンリッチ層８bは、Si
-Siの部分がWに置き換わり、Si-O-Siの部分はそのまま
残るため、W膜９は、不規則にSiO2膜もしくはSiN膜内部
に食い込み、凸部９aを形成する。さらに第２図（c）に
示すようにWF6/H2ガスを当て続け、W膜９を成長させ
る。ここで、コンタクトホール７の底面はTi化合物であ
る保護膜５が露出しているため、W膜の成長速度は析出
シリコン８での成長速度よりも速い。以上により、第１
図（c）に示すようにSiO2膜上にW膜９が厚さ1000Å乃至
3000Åに形成される。 工程５：第１図（d）に示すように、W膜９を全面エッチ
ングし、層間絶縁膜６を露出し、全面にAl合金膜を形成
し、所定領域をエッチングして、配線１０を形成する。

【００２２】以下に、リモートプラズマ法について述べ
る。リモートプラズマ法は、ターゲットをプラズマソー
スから離して設置して、プラズマを照射することで照射
するプラズマのエネルギーを制御する手法であり、第３
図に示すように、真空に引いたチャンバー２１内にウエ
ハ２２が設置されており、上方のプラズマソース２３に
は環状の電極２４によって共鳴周波数13.56Mhzの交流電
圧が印加され、内部のHeガスを電離させ、プラズマとす
る。プラズマ粒子は電極２４間を往復しているが、プラ
ズマ粒子のもつエネルギーは統計的不確定性をもって分
布しているため、ごく一部のプラズマ粒子は電極２４を
越えてウエハ２２まで到達する。この様なプラズマはウ
エハ全面に照射され、全体をエッチングすることなく、
SiO2もしくはSiNの原子間結合を切断する。プラズマの
照射条件は例えば電極２４の間隔が35mm、下方の電極２
４の下面からウエハ２２までの距離が40mm、Heガス注入
後の真空度が10E-1 Torr程度であれば、電極２４に印加
する電力は50W乃至100Wで、数分乃至数十分照射すれば
数十Åの析出シリコン８が得られる。以下に本発明の第
２の実施形態について説明する。 工程１：第１の実施形態の工程１と同様である。 工程２：第１の実施形態の工程２と同様である。 工程３：第２図（a）に示すように、ウエハ上に形成さ
れたSiO2膜に対して、真空度10E-5Torr乃至10E-8Torrで
KrF、ArFもしくはAr2のエキシマレーザを全面に照射す
ると、層間絶縁膜６表面及びコンタクトホール７内のSi
O2表面に、析出シリコン８が形成される。この時の照射
方法は、例えばArFレーザの0.2 J/cm2/pulseを１ショッ
トとして、数千ショットのパルスを照射することによっ
て、数十Åの析出シリコン８を形成することができる。
このパルスのレーザのエネルギーを上げる、もしくは１
ショットの照射時間を延ばすことによってパルスのショ
ット数を低減することができる。

【００２３】レーザによって析出シリコン８を形成する
特段のメリットとして、レーザはSiO2表面から数十Åよ
り深くSiO2に侵入することがないので、析出シリコン８
の形成される深さは数十Å以下であり、従って後で置換
するW膜９の深さも数十Å以下である。よって、W膜９が
過剰に深く形成されて、絶縁特性が劣化する恐れがな
い、という点を挙げることができる。 工程４：第１の実施形態の工程４と同様である。 工程５：第１の実施形態の工程５と同様である。 以下に本発明の第３の実施形態について第４図を用いて
説明する。

【００２４】先ず、第３の実施形態の原理について述べ
る。SiNのシリコン原子と窒素原子とのバンドギャップ
は5eVである。従って、エネルギー5eVのKrFエキシマレ
ーザもしくはエネルギー6.4eVのArFエキシマレーザを用
いることによって、１つの光子のみでこの結合を切断す
ることが可能であり、SiO2の時のように、２つの光子が
連続して当たることを必要としない。従って、より効率
よく析出シリコンを形成できる。従って、上記第２の実
施形態において、レーザを照射する工程に先立って表面
にSiN膜を形成しておくことによって、より容易にタン
グステンプラグを形成することができる。また、W膜を
全面エッチバックする際、WとSiO2の選択比が小さいこ
とから、Wと同時にSiO2である層間絶縁膜もエッチング
されてしまう。従って、W膜とSiO2膜との間にSiN膜を形
成しておくことによって、予期しない層間絶縁膜のエッ
チングを防止することができる。

【００２５】以下に具体的方法を述べる。 工程１：第１実施形態の工程１と同様である。 工程２：第４図（b）に示すように、全面にSiO2からな
る層間絶縁膜６をCVD法を用いて形成し、層間絶縁膜６
上にSiN膜１３をCVD法を用いて形成する。この時、SiN
は誘電率が高く、厚すぎると寄生容量増加を招くのでSi
N膜１３の厚さは数十Å乃至数百Å程度とする。次に、
拡散層２上の層間絶縁膜６及びSiN膜１３にコンタクト
ホール７を形成する。 工程３：第１の実施形態及び第２の実施形態において詳
述したように、第２図に示すように、微弱プラズマもし
くはエキシマレーザを用いてコンタクトホール７内のSi
O2表面及びSiN膜１３表面に析出シリコン８を形成す
る。特に、上述のように、SiNのバンドギャップが小さ
いために、第２の実施形態と同様のパルスレーザを用い
れば、数ショットで数十Åの析出シリコンを形成するこ
とができるので効率が良い。 工程４：第１の実施形態の工程４と同様である。 工程５：第４図（d）に示すように、W膜９を全面エッチ
ングし、SiN膜１３を露出する。全面にAl合金膜を形成
し、所定領域をエッチングして配線１０を形成する。Si
Nは誘電率が高いので、SiN膜１３を露出した後、SiN膜
１３のみを除去しても良い。以下に本発明の第４の実施
形態について第５図を用いて説明する。 工程１：第５図（a）を用いて説明する。公知の技術を
用いて図示しない半導体基板上に図示しない導電層を備
えた半導体素子を形成する。次に、図示しない層間絶縁
膜を介して、Al合金等からなる第１の導電層を厚さ1000
Å乃至3000Åに形成する。第１の導電層は前記図示しな
い導電層と電気的に接続されている。次にTiとTiNから
なる反射防止膜３１を厚さ100Å乃至1000Åに形成す
る。次に、第１の導電層と反射防止膜３１の所定領域を
エッチングして第１の配線３２を形成する。 工程２：第５図（b）に示すように、全面にSiO2からな
る層間絶縁膜３３をCVD法を用いて厚さ3000Å乃至5000
Åに形成し、層間絶縁膜３３の所定領域にヴィアホール
３４を形成する。 工程３：第１の実施形態の工程３で詳述したように、微
弱プラズマもしくはエキシマレーザを全面に照射し、層
間絶縁膜３３表面及びヴィアホール３４内面のSiO2表面
に析出シリコンを形成する。 工程４：第１の実施形態の工程４で詳述したように、析
出シリコンをWF6/H2ガスによってWに置換することによ
り、第５図（c）に示すように、W膜３５を形成する。 工程５：第１の実施形態の工程５で詳述したように、第
５図（d）に示すように、W膜３５を全面エッチバックし
て、層間絶縁膜３３を露出し、全面にAl合金膜を厚さ30
00Å乃至10000Åに形成し、所定領域をエッチングして
第２の配線３６を形成する。以下に本発明の第５の実施
形態について第６図を用いて説明する。 工程１：第４の実施形態の工程１と同様である。 工程２：第３の実施形態の工程２において詳述したよう
に、第６図（b）に示したように、層間絶縁膜上にSiN膜
３７を形成し、ヴィアホール３４を形成する。 工程３：第３の実施形態の工程３において詳述したよう
に、第６図（c）に示したように、微弱プラズマもしく
はエキシマレーザを用いてヴィアホール内のSiO2表面及
びSiN膜３７表面に析出シリコン８を形成する。第３の
実施形態同様、SiNのバンドギャップが小さいために第
２の実施形態のレーザを用いれば、数ショットで数十Å
の析出シリコンが形成できるので、効率が良い。 工程４：第１の実施形態の工程４と同様である。 工程５：第３の実施形態の工程５において詳述したよう
に、第６図（d）に示したように、W膜３５を全面エッチ
ングし、SiN膜３７を露出し、配線３６を形成する。SiN
は誘電率が高いので、SiN膜３７を露出した後、SiN膜３
７を除去しても良い。

【００２６】以上全ての実施形態の工程４において、還
元反応に用いるガスは、WF6/H2ガスに限らず、タングス
テンと結合して気体となり、かつ、シリコンとより強く
結合し、かつ、シリコンと結合した結果気体となって離
散するか、結合後にSiO2膜内に不純物として残留しない
物質であれば、例えばSiH4/WF6等の他の物質に置き換え
ても良いが、WF6を用いることにより、300℃乃至450℃
程度で反応させることができるため、他の配線のAl合金
等を融解する恐れがなく、かつ拡散層に添加した不純物
が他の層に離散する恐れもない。

【００２７】以上、全ての実施形態の工程５において、
必要に応じ、層間絶縁膜６を露出した後、W膜と配線と
の接触抵抗を低減し、また配線の耐性を向上させるため
に、W膜と配線の間にTiまたはTi/TiNよりなる密着層を
形成しても良い。以上、全ての実施形態の工程５におい
て、層間絶縁膜表面にもWの凸部が形成されており、層
間絶縁膜を露出した後でも表面にW粒塊が残存している
場合がある。この様なW粒塊は配線の抵抗率の均一性及
び絶縁性を低下させる恐れがあるため、層間絶縁膜を露
出した後、さらに余分に100Å程度エッチバックしても
良い。

【００２８】以上、全ての実施形態の工程５において、
W膜を全面エッチバックし、別途Al合金よりなる配線層
を形成する場合において説明したが、これは、Al合金が
Wよりも抵抗率が低いためである。一方、Wも、抵抗率で
はAlに劣るものの、融点が高く、従って、電気的、物理
的に耐性が高く信頼性が高いという特徴を持っている。
よって、工程５を、以下のように置き換えて、W配線を
形成しても良い。これにより、さらに工程数が削減でき
る。 工程５：W膜状にフォトマスクを形成し、W膜の所定領域
をエッチングし、Wプラグを形成すると共にW配線を形成
する。

【００２９】以上、第１、第３、第４、第５の実施形態
において、微弱プラズマの生成方法はリモートプラズマ
法以外にも、例えば並行平板型等、種々の方法が考えら
れるが、プラズマのエネルギーが高いと、いわゆるプラ
ズマエッチングとなり、層間絶縁膜６全体を削ってしま
うので、微弱プラズマのエネルギーはプラズマを励起で
きる限りにおいてできるだけ低く抑える必要がある。上
記のリモートプラズマ法はプラズマソース２３がウエハ
２２から離れており、電極２４に印加する電圧とプラズ
マソース２３からの距離とを調整することでプラズマの
エネルギーと照射密度が調整できるため、微弱プラズマ
を生成するのに好適である。また、微弱プラズマの照射
時間を制御することによって、析出シリコン８の量を制
御することができる。

【００３０】また、照射するプラズマはHeプラズマに限
らず、シリコン原子と酸素原子の結合を切断できれば、
例えばArなどの他の希ガスプラズマでもよく、その他の
ガスを用いたプラズマでもよい。しかし、Arプラズマ
は、プラズマエッチングに採用されていることからも判
るとおり、Heに比べて原子量が大きく、酸素原子のみを
叩き出すための低いエネルギーに制御することが困難で
ある。また、その他のガスを用いたプラズマは、層間絶
縁膜６や析出シリコン８、酸素等と化学変化を起こす可
能性があり、化学的に不活性な希ガスを用いることが望
ましい。

【００３１】また、プラズマを照射する代わりにエネル
ギーの低いイオンビームを照射してもよい。この場合
は、イオン注入工程などに用いるイオンソースと同様の
構成の装置で実施可能である。イオンビームは飛来する
粒子が一定の方向性をもっているため、ターゲットの結
晶格子と方向が等しくなると侵入深さが極端に深くな
る、いわゆるチャネリングが生じると、W膜を形成した
際に局所的にWが深く形成されるため、耐電圧が低下す
る恐れがある。これを防止するために、イオンビームの
照射の角度は10度以上傾ける必要がある。イオンビーム
はエネルギーを低く制御した上で粒子密度を高くするこ
とが困難であり、プラズマを用いた場合に比較して、必
要な析出シリコンを形成するのに時間がかかる。

【００３２】以上第１、第２、第３の実施形態におい
て、ＭＯＳトランジスタの拡散層にコンタクトプラグを
形成する場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、
例えばフラッシュメモリのセルなど、あらゆる素子のあ
らゆる導電層に適用可能であることは言うまでもない。
以上第２、第３、第４、第５の実施形態において、照射
するレーザは上述のエキシマレーザに限らず、シリコン
原子と酸素原子の結合を切断できれば、別のレーザでも
良い。もちろん、原子間のバンドギャップよりもエネル
ギーの高いレーザを用いることが理想であることは言う
までもない。

【００３３】本明細書中に記載の工程の番号は、説明の
便宜上付したものであり、本発明はこれにとらわれるも
のではない。

【００３４】

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明によれ
ば、密着層を形成する必要なくWコンタクトを形成する
ことができるので、密着層に由来する種々の問題を解決
できるとともに、製造工程の簡略化によるコストの低減
が可能である。また、シリコンをWF6を用いてタングス
テンに置換するので、低温度で反応させることができる
ので、他の配線を融解する、もしくは拡散層に添加した
不純物が離散する等の不具合が生じない。

【００３５】特に請求項５に記載の発明によれば、リモ
ートプラズマ法を用いるため、効率よくW膜を形成でき
ると共に、強固な密着性をもったW膜を形成できる。特
に請求項６に記載の発明によれば、エキシマレーザを用
いるため、析出シリコンの形成される深さの制御が容易
であり、配線の抵抗率のバラツキが小さく、絶縁性も高
い。

【００３６】特に請求項７に記載の発明によれば、イオ
ンビームを用いるため、イオン注入工程のための設備が
流用できるため、初期コストが低い。特に請求項８に記
載の発明によれば、SiO2膜上にSiN膜を形成するので、
請求項３に記載の発明よりも効率よくW膜を形成でき、W
膜を全面エッチバックする際に層間絶縁膜を保護するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のタングステンプラグを形成する工程を
説明するための断面図である。

【図２】本発明のタングステンプラグを形成する工程の
途中におけるウエハ表面の拡大図である。

【図３】リモートプラズマ法を説明するための概念図で
ある。

【図４】本発明のタングステンプラグを形成する工程を
説明するための断面図である。

【図５】本発明のタングステンプラグを形成する工程を
説明するための断面図である。

【図６】本発明のタングステンプラグを形成する工程を
説明するための断面図である。

【図７】従来のタングステンプラグを形成する工程を説
明するための断面図である。

【図８】従来のタングステンプラグを形成する工程を説
明するための断面図である。

【図９】密着層がコンタクトホールを覆いきれない時の
不良素子の断面図である。

【図１０】ボイドが形成された不良素子の断面図であ
る。

【図１１】ボルケーノ現象を説明するための断面図であ
る。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンに不純物を添加してなる半導体
   素子の導電膜に保護膜を自己整合的に形成する工程と、
   前記半導体素子を酸化シリコンよりなる層間絶縁膜によ
   って覆う工程と、前記層間絶縁膜の前記導電膜上の所定
   部分にコンタクトホールを形成する工程と、前記層間絶
   縁膜表面及び前記コンタクトホール内面に、原子間の結
   合を切断することによってシリコンを析出させる工程
   と、前記析出したシリコンをWF6を主な成分としたガス
   を用いた還元反応によりタングステンに置換しつつタン
   グステン膜を形成する工程と、前記タングステン膜を全
   面エッチバックして前記層間絶縁膜を露出してタングス
   テンプラグを形成する工程と、前記層間絶縁膜の所定領
   域に金属配線を形成する工程とを有することを特徴とす
   るタングステンプラグの形成方法。
2. 【請求項２】 半導体素子に反射防止膜を備えた金属配
   線を形成する工程と、前記半導体素子を酸化シリコンよ
   りなる層間絶縁膜によって覆う工程と、前記層間絶縁膜
   の前記金属配線上の所定部分にヴィアホールを形成する
   工程と、前記層間絶縁膜表面及び前記ヴィアホール内面
   に、原子間の結合を切断することによってシリコンを析
   出させる工程と、前記析出したシリコンをWF6を主な成
   分としたガスを用いた還元反応によりタングステンに置
   換しつつタングステン膜を形成する工程と、前記タング
   ステン膜を全面エッチバックして前記層間絶縁膜を露出
   してタングステンプラグを形成する工程と、前記層間絶
   縁膜の所定領域に金属配線を形成する工程とを有するこ
   とを特徴とするタングステンプラグの形成方法。
3. 【請求項３】 シリコンに不純物を添加してなる半導体
   素子の導電膜に保護膜を自己整合的に形成する工程と、
   前記半導体素子を酸化シリコンよりなる層間絶縁膜によ
   って覆う工程と、前記層間絶縁膜の前記導電膜上の所定
   部分にコンタクトホールを形成する工程と、前記層間絶
   縁膜表面及び前記コンタクトホール内面に、原子間の結
   合を切断することによってシリコンを析出させる工程
   と、前記析出したシリコンをWF6を主な成分としたガス
   を用いた還元反応によりタングステンに置換しつつタン
   グステン膜を形成する工程と、前記タングステン膜の所
   定領域をエッチバックして前記層間絶縁膜を露出してタ
   ングステンプラグを形成すると共に、タングステン配線
   を形成する工程とを有することを特徴とするタングステ
   ンプラグ及びタングステン配線の形成方法。
4. 【請求項４】 半導体素子に反射防止膜を備えた金属配
   線を形成する工程と、前記半導体素子を酸化シリコンよ
   りなる層間絶縁膜によって覆う工程と、前記層間絶縁膜
   の前記金属配線上の所定部分にヴィアホールを形成する
   工程と、前記層間絶縁膜表面及び前記ヴィアホール内面
   に、原子間の結合を切断することによってシリコンを析
   出させる工程と、前記析出したシリコンをWF6を主な成
   分としたガスを用いた還元反応によりタングステンに置
   換しつつタングステン膜を形成する工程と、前記タング
   ステン膜の所定領域をエッチバックして前記層間絶縁膜
   を露出してタングステンプラグを形成すると共に、タン
   グステン配線を形成する工程とを有することを特徴とす
   るタングステンプラグ及びタングステン配線の形成方
   法。
5. 【請求項５】 前記原子間の結合を切断する手段が微弱
   プラズマの照射であることを特徴とする、請求項１乃至
   請求項２に記載のタングステンプラグの形成方法もしく
   は請求項３乃至請求項４に記載のタングステンプラグ及
   びタングステン配線の形成方法。
6. 【請求項６】 前記原子間の結合を切断する手段が真空
   中でのArFエキシマレーザもしくはKrFエキシマレーザも
   しくはAr2エキシマレーザの照射であることを特徴とす
   る、請求項１乃至請求項２に記載のタングステンプラグ
   の形成方法もしくは請求項３乃至請求項４に記載のタン
   グステンプラグ及びタングステン配線の形成方法。
7. 【請求項７】前記原子間の結合を切断する手段が真空中
   でのHeイオンもしくはArイオンの照射であることを特徴
   とする、請求項１乃至請求項２に記載のタングステンプ
   ラグの形成方法もしくは請求項３乃至請求項４に記載の
   タングステンプラグ及びタングステン配線の形成方法。
8. 【請求項８】 前記層間絶縁膜を形成する工程と、前記
   コンタクトホールもしくは前記ヴィアホールを形成する
   工程との間に、前記層間絶縁膜全面にシリコン窒化膜を
   形成する工程を有することを特徴とする、請求項１乃至
   請求項７に記載の、タングステンプラグの形成方法もし
   くは、タングステンプラグ及びタングステン配線の形成
   方法。